JP5518535B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
燃料電池システム（装置）は、水素と酸素との反応により発電し、その反応生成物が水であるため、環境に優しい発電システムとして注目を集めている。 BACKGROUND ART A fuel cell system (apparatus) generates power by reaction between hydrogen and oxygen, and its reaction product is water, and therefore has attracted attention as an environmentally friendly power generation system.
燃料電池システムとして、燃料電池にエタノールやヒドラジンなどの液体燃料を改質器を介さずに直接に供給するものが知られている。燃料電池は、たとえば、アノード（燃料極）およびカソード（酸素極）が電解質膜を挟んで対向配置された構造を有している。アノードは、燃料循環ラインの途中に介装されている。すなわち、燃料循環ラインの一端がアノードの燃料供給口に接続され、その他端がアノードの燃料排出口に接続されている。アノードには、燃料循環ラインから液体燃料が供給され、アノードを通過した液体燃料は、燃料循環ラインに排出される。一方、カソードには、空気が供給される。そして、アノードにおいて、液体燃料からプロトン（Ｈ＋）および電子（ｅ−）が生成され、プロトンが電解質膜を透過してカソードに移動するとともに、電子が外部回路を介してカソードに移動し、カソードにおいて、プロトン、電子および空気に含まれる酸素の反応による水が生成される。その結果、電気化学反応による起電力が発生する。 As a fuel cell system, one that supplies liquid fuel such as ethanol or hydrazine directly to a fuel cell without using a reformer is known. The fuel cell has, for example, a structure in which an anode (fuel electrode) and a cathode (oxygen electrode) are arranged to face each other with an electrolyte membrane interposed therebetween. The anode is interposed in the middle of the fuel circulation line. That is, one end of the fuel circulation line is connected to the anode fuel supply port, and the other end is connected to the anode fuel discharge port. Liquid fuel is supplied to the anode from the fuel circulation line, and the liquid fuel that has passed through the anode is discharged to the fuel circulation line. On the other hand, air is supplied to the cathode. Then, in the anode, protons (H + ) and electrons (e − ) are generated from the liquid fuel, the protons pass through the electrolyte membrane and move to the cathode, and the electrons move to the cathode via the external circuit, and the cathode , Water is generated by the reaction of oxygen contained in protons, electrons and air. As a result, an electromotive force is generated by an electrochemical reaction.
燃料電池システムの運転（発電）が停止されるときには、アノードへの液体燃料の供給およびカソードへの空気の供給が停止される。運転停止後、アノードには液体燃料が残存し、この状態で長時間放置されると、その液体燃料の残存に起因する種々の不具合を生じる。不具合の一例として、液体燃料のクロスオーバ（液体燃料がアノードからカソードに移動する現象）が挙げられる。液体燃料のクロスオーバが生じると、次の発電開始時の発電能力が低下する。また、液体燃料がエタノールである場合には、電解質膜が劣化し、燃料電池システムの寿命の低下を招くおそれがある。液体燃料がヒドラジンである場合には、アンモニアが生成され、次の運転開始時に、アンモニアによる臭気を発生するおそれがある。 When the operation (power generation) of the fuel cell system is stopped, the supply of liquid fuel to the anode and the supply of air to the cathode are stopped. After the operation is stopped, the liquid fuel remains in the anode, and if left in this state for a long time, various problems are caused due to the remaining liquid fuel. One example of a defect is a liquid fuel crossover (a phenomenon in which liquid fuel moves from an anode to a cathode). When the liquid fuel crossover occurs, the power generation capacity at the start of the next power generation is reduced. Further, when the liquid fuel is ethanol, the electrolyte membrane is deteriorated, which may cause a reduction in the life of the fuel cell system. When the liquid fuel is hydrazine, ammonia is generated, and there is a risk of generating an odor due to ammonia at the start of the next operation.
そのため、運転停止後に、アノードから液体燃料をパージする提案がなされている。たとえば、発電中は、アノードに液体燃料を供給するためのポンプを正回転させ、運転停止後に、そのポンプを逆回転させることにより、アノードから液体燃料を吸い出すことができる。また、パージ用のガスを貯留しておくためのタンクを設け、運転停止後に、タンクからアノードにパージ用のガスを供給して、アノードから液体燃料をパージすることも考えられる。 Therefore, proposals have been made to purge the liquid fuel from the anode after the operation is stopped. For example, during power generation, the liquid fuel can be sucked out from the anode by rotating the pump for supplying the liquid fuel to the anode in the forward direction and rotating the pump in the reverse direction after stopping the operation. It is also conceivable to provide a tank for storing the purge gas and supply the purge gas from the tank to the anode after the operation is stopped to purge the liquid fuel from the anode.
しかしながら、ポンプの逆回転による液体燃料の吸引の手法では、正逆回転可能なポンプが必要となり、燃料電池システムのコストの増大を招くうえ、ポンプに比較的大きな負荷が加わるという問題がある。また、パージ用のガスを貯留しておくためのタンクを設けることは、その設置スペースの確保および燃料電池システムの重量の増加の点から実用的ではない。 However, the method of sucking liquid fuel by reverse rotation of the pump requires a pump that can rotate forward and reverse, which increases the cost of the fuel cell system and has a problem that a relatively large load is applied to the pump. In addition, providing a tank for storing the purge gas is not practical in terms of securing the installation space and increasing the weight of the fuel cell system.
本発明の目的は、ポンプ負荷の増大などの新たな問題を生じることなく、運転停止後に液体燃料がアノードに残存することを防止できる、燃料電池システムを提供することである。 An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of preventing liquid fuel from remaining on an anode after operation stop without causing a new problem such as an increase in pump load.
前記の目的を達成するため、本発明は、燃料電池システムにおいて、燃料流路が形成されたアノードおよび気体流路が形成されたカソードを有する燃料電池と、前記燃料流路の一端の燃料供給口に接続された燃料供給ラインと、前記燃料供給ラインから前記燃料流路への液体燃料の供給を許容／阻止するために開閉される燃料供給バルブと、前記燃料流路の前記一端と反対側の他端の燃料排出口に接続された燃料排出ラインと、前記燃料流路から前記燃料排出ラインへの液体燃料の排出を許容／阻止するために開閉される燃料排出バルブと、前記気体流路に酸素を含む気体を供給するための気体供給手段と、前記燃料供給バルブ、前記燃料排出バルブおよび前記気体供給手段を制御して、前記燃料供給バルブおよび前記燃料排出バルブが開かれ、前記気体供給手段により前記気体流路に気体が供給されている状態から、前記燃料供給バルブおよび前記燃料排出バルブの一方を閉じて、前記気体供給手段による気体の供給を継続し、前記燃料電池における発電（電気化学反応）が停止した後、前記燃料供給バルブおよび前記燃料排出バルブの他方を閉じるとともに、前記気体供給手段による気体の供給を停止させる制御手段とを含むことを特徴としている。 To achieve the above object, the present invention provides a fuel cell system comprising a fuel cell having an anode having a fuel flow channel and a cathode having a gas flow channel, and a fuel supply port at one end of the fuel flow channel. A fuel supply line connected to the fuel supply line, a fuel supply valve that is opened and closed to allow / block liquid fuel supply from the fuel supply line to the fuel flow path, and on the opposite side of the one end of the fuel flow path A fuel discharge line connected to a fuel discharge port at the other end, a fuel discharge valve that is opened and closed to allow / block discharge of liquid fuel from the fuel flow path to the fuel discharge line, and a gas flow path A gas supply means for supplying a gas containing oxygen, the fuel supply valve, the fuel discharge valve, and the gas supply means are controlled to open the fuel supply valve and the fuel discharge valve. From the state in which gas is supplied to the gas flow path by the gas supply means, one of the fuel supply valve and the fuel discharge valve is closed, and the gas supply by the gas supply means is continued, and the fuel cell And a control means for closing the other of the fuel supply valve and the fuel discharge valve and stopping the gas supply by the gas supply means after the power generation (electrochemical reaction) is stopped.
この燃料電池システムでは、燃料電池のアノードおよびカソードに、それぞれ燃料流路および気体流路が形成されている。燃料流路の一端の燃料供給口には、燃料供給ラインが接続されている。燃料供給ラインから燃料流路への液体燃料の供給は、燃料供給バルブの開閉により許容／阻止される。燃料流路の他端の燃料排出口には、燃料排出ラインが接続されている。燃料流路から燃料排出ラインへの液体燃料の排出は、燃料排出バルブの開閉により許容／阻止される。気体流路には、酸素を含む気体が供給されるようになっている。 In this fuel cell system, a fuel channel and a gas channel are formed in the anode and cathode of the fuel cell, respectively. A fuel supply line is connected to the fuel supply port at one end of the fuel flow path. The supply of liquid fuel from the fuel supply line to the fuel flow path is permitted / blocked by opening and closing the fuel supply valve. A fuel discharge line is connected to the fuel discharge port at the other end of the fuel flow path. The discharge of liquid fuel from the fuel flow path to the fuel discharge line is allowed / blocked by opening and closing the fuel discharge valve. A gas containing oxygen is supplied to the gas flow path.
燃料電池システムの運転中は、燃料供給バルブおよび燃料排出バルブが開かれて、燃料流路に液体燃料が供給される。その一方で、気体流路に酸素を含む気体が供給される。これにより、燃料電池において、電気化学反応による起電力が生じる。このとき、アノードでは、ガスが生成される。このガスは、未反応の液体燃料とともに、燃料流路から燃料排出ラインに排出される。 During operation of the fuel cell system, the fuel supply valve and the fuel discharge valve are opened, and the liquid fuel is supplied to the fuel flow path. On the other hand, a gas containing oxygen is supplied to the gas flow path. Thereby, in the fuel cell, an electromotive force is generated by an electrochemical reaction. At this time, gas is generated at the anode. This gas is discharged from the fuel flow path to the fuel discharge line together with the unreacted liquid fuel.
燃料電池システムの運転停止中は、燃料供給バルブおよび燃料排出バルブが閉じられるとともに、気体流路への気体の供給が停止される。そのため、燃料電池における電気化学反応が生じず、電気化学反応による起電力は発生しない。 While the operation of the fuel cell system is stopped, the fuel supply valve and the fuel discharge valve are closed and the supply of gas to the gas flow path is stopped. Therefore, no electrochemical reaction occurs in the fuel cell, and no electromotive force is generated by the electrochemical reaction.
燃料電池システムの運転が停止される際には、その停止に先立ち、運転停止後に液体燃料が燃料流路に残存することを防止するための制御が行われる。すなわち、運転状態から運転停止状態に移行する前に、気体流路への気体の供給が継続されたまま、燃料供給バルブおよび燃料排出バルブの一方が閉じられる。燃料供給バルブおよび燃料排出バルブの一方が閉じられると、燃料流路における液体燃料の流通が停止し、燃料流路に液体燃料が停留する。燃料供給バルブおよび燃料排出バルブの一方が閉じられた後も、気体流路に気体が供給されているので、燃料電池において電気化学反応が継続して生じる。このときアノードで生成されるガスは、燃料流路に滞留するか、または、燃料流路からこれと連通している燃料供給ラインまたは燃料排出ラインに流出する。 When the operation of the fuel cell system is stopped, control for preventing the liquid fuel from remaining in the fuel flow path after the operation is stopped is performed before the stop. That is, before shifting from the operation state to the operation stop state, one of the fuel supply valve and the fuel discharge valve is closed while the supply of gas to the gas flow path is continued. When one of the fuel supply valve and the fuel discharge valve is closed, the flow of the liquid fuel in the fuel channel is stopped, and the liquid fuel is stopped in the fuel channel. Even after one of the fuel supply valve and the fuel discharge valve is closed, since the gas is supplied to the gas flow path, the electrochemical reaction continues in the fuel cell. At this time, the gas generated in the anode stays in the fuel flow path or flows out from the fuel flow path to the fuel supply line or the fuel discharge line.
燃料流路にガスが滞留する場合、その滞留するガスにより、燃料流路に停留している液体燃料が燃料流路と連通している燃料供給ラインまたは燃料排出ラインに追い出される。そのため、燃料流路に滞留するガスの量の増加に伴って、燃料流路中の液体燃料の量が減少していく。そして、燃料流路からすべての液体燃料がパージされて、燃料流路がガスで充満した状態になると、燃料電池における電気化学反応による発電が停止する。 When the gas stays in the fuel flow path, the liquid gas stopped in the fuel flow path is expelled to the fuel supply line or the fuel discharge line communicating with the fuel flow path. For this reason, the amount of liquid fuel in the fuel flow path decreases as the amount of gas remaining in the fuel flow path increases. Then, when all the liquid fuel is purged from the fuel flow path and the fuel flow path is filled with gas, power generation by the electrochemical reaction in the fuel cell is stopped.
また、燃料流路からガスが流出する場合、そのガスの流出と引き換えに、燃料流路と連通している燃料供給ラインまたは燃料排出ラインから燃料流路に液体燃料が流入する。そのため、燃料電池での電気化学反応が進むにつれて、燃料流路と連通している燃料供給ラインまたは燃料排出ライン中の液体燃料が少なくなる。そして、その燃料供給ラインまたは燃料排出ライン中の液体燃料が少なくなることにより、燃料流路への液体燃料の流入がほぼなくなり、その後、燃料流路中の液体燃料が消費されて、液体流路から液体燃料がなくなると、燃料電池における電気化学反応による発電が停止する。 In addition, when gas flows out from the fuel flow path, liquid fuel flows into the fuel flow path from the fuel supply line or the fuel discharge line communicating with the fuel flow path in exchange for the outflow of the gas. Therefore, as the electrochemical reaction in the fuel cell proceeds, the liquid fuel in the fuel supply line or the fuel discharge line communicating with the fuel flow path decreases. Then, since the liquid fuel in the fuel supply line or the fuel discharge line is reduced, the liquid fuel hardly flows into the fuel flow path, and then the liquid fuel in the fuel flow path is consumed, and the liquid flow path When the liquid fuel is exhausted, the power generation by the electrochemical reaction in the fuel cell stops.
したがって、いずれにしても、燃料流路からすべての液体燃料がなくなり、燃料電池における発電が停止する。よって、燃料電池における発電が停止した後、燃料供給バルブおよび燃料排出バルブの他方（閉じられていない燃料供給バルブまたは燃料排出バルブ）が閉じられるとともに、気体流路への気体の供給が停止されて、燃料電池システムの運転が停止されることにより、運転停止後にアノードに液体燃料が残存することを防止できる。 Therefore, in any case, all the liquid fuel disappears from the fuel flow path, and power generation in the fuel cell stops. Therefore, after power generation in the fuel cell is stopped, the other of the fuel supply valve and the fuel discharge valve (the fuel supply valve or the fuel discharge valve that is not closed) is closed and the supply of gas to the gas flow path is stopped. By stopping the operation of the fuel cell system, it is possible to prevent the liquid fuel from remaining on the anode after the operation is stopped.
なお、燃料電池における発電が停止したか否かは、燃料電池から発生される起電力の大きさが予め定める閾値以下になったか否かにより判断することができる。 Whether or not power generation in the fuel cell is stopped can be determined based on whether or not the magnitude of the electromotive force generated from the fuel cell is equal to or less than a predetermined threshold value.
液体燃料としては、ヒドラジン（ＮＨ２ＮＨ２）、水加ヒドラジン（ＮＨ２ＮＨ２・Ｈ２Ｏ）、トリアザン（ＮＨ２ＮＨＮＨ２）、テトラザン（ＮＨ２ＮＨＮＨＮＨ２）、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）などが例示される。 The liquid fuel, hydrazine (NH 2 NH 2), hydrazine hydrate (NH 2 NH 2 · H 2 O), triazane (NH 2 NHNH 2), Tetorazan (NH 2 NHNHNH 2), methanol (CH 3 OH), etc. Is exemplified.
前記燃料電池システムでは、前記燃料電池は、前記燃料排出口が前記燃料供給口よりも高い位置に配置されるように設けられており、前記制御手段は、前記燃料供給バルブおよび前記燃料排出バルブが開かれ、前記気体供給手段により前記気体流路に気体が供給されている状態から、前記燃料排出バルブを閉じて、前記気体供給手段による気体の供給を継続し、前記燃料電池における発電が停止した後、前記燃料供給バルブを閉じるとともに、前記気体供給手段による気体の供給を停止させることが好適である。 In the fuel cell system, the fuel cell is provided such that the fuel discharge port is positioned higher than the fuel supply port, and the control means includes the fuel supply valve and the fuel discharge valve. From the state where gas is supplied to the gas flow path by the gas supply means, the fuel discharge valve is closed, the gas supply by the gas supply means is continued, and power generation in the fuel cell is stopped. Thereafter, it is preferable to close the fuel supply valve and stop the gas supply by the gas supply means.
この場合、燃料供給口よりも高い位置に配置される燃料排出口が閉じられるので、燃料排出口が閉じられた後にアノードで発生するガスは、燃料流路に停留している液体燃料中を燃料排出口に向けて移動する。したがって、燃料流路には、燃料排出口側からガスが充填されていき、燃料流路中の液体燃料は、燃料供給口から燃料供給ラインに追い出される。よって、燃料供給ラインから燃料流路への液体燃料の流入がないので、液体燃料が燃料流路に残存することを防止するための制御の開始から短時間で、燃料流路がガスで充満した状態となり、燃料電池における発電が停止する。その結果、液体燃料が燃料流路に残存することを防止するための制御の開始から短時間で、燃料電池システムの運転を停止させることができる。 In this case, since the fuel discharge port arranged at a position higher than the fuel supply port is closed, the gas generated at the anode after the fuel discharge port is closed passes through the liquid fuel stopped in the fuel flow path. Move towards the outlet. Therefore, the fuel channel is filled with gas from the fuel discharge port side, and the liquid fuel in the fuel channel is expelled from the fuel supply port to the fuel supply line. Therefore, since there is no inflow of liquid fuel from the fuel supply line to the fuel flow path, the fuel flow path is filled with gas in a short time from the start of control for preventing liquid fuel from remaining in the fuel flow path. The power generation in the fuel cell stops. As a result, the operation of the fuel cell system can be stopped in a short time from the start of control for preventing liquid fuel from remaining in the fuel flow path.
また、燃料排出口が燃料供給口よりも高い位置に配置されているので、燃料電池システムの運転時に、アノードで発生するガスを燃料流路から燃料排出ラインにスムーズに排出することができる。その結果、燃料流路にガスが滞留することによる発電能力の低下を防止することができる。 Further, since the fuel discharge port is arranged at a position higher than the fuel supply port, the gas generated at the anode can be smoothly discharged from the fuel flow path to the fuel discharge line during operation of the fuel cell system. As a result, it is possible to prevent a decrease in power generation capacity due to gas remaining in the fuel flow path.
本発明によれば、燃料電池システムの運転停止に先立ち、アノードの燃料流路をガスで充満させて、液体燃料がアノードに残存することを防止できる。そのため、燃料電池システムの運転停止中に、燃料電池において液体燃料のクロスオーバが生じることを防止できる。また、液体燃料がヒドラジン類である場合には、燃料電池システムの運転停止中に、アノードにおいてアンモニアが生成されることを防止できる。 According to the present invention, it is possible to prevent the liquid fuel from remaining on the anode by filling the anode fuel flow path with the gas before stopping the operation of the fuel cell system. Therefore, it is possible to prevent a liquid fuel crossover from occurring in the fuel cell while the operation of the fuel cell system is stopped. Further, when the liquid fuel is hydrazines, it is possible to prevent ammonia from being generated at the anode while the fuel cell system is stopped.
以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。 FIG. 1 is a block diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
燃料電池システム１は、燃料電池２を備えている。燃料電池２は、アノード（燃料極）３およびカソード（酸素極）４が電解質体５を挟んで対向配置された構造のセルを複数備えている。複数のセルは、各セルの間にセパレータを介在させて積層され、セルスタックを構成している。電解質体５は、たとえば、アニオン（ＯＨ−）を透過させる性質を有する固体高分子膜である。 The fuel cell system 1 includes a fuel cell 2. The fuel cell 2 includes a plurality of cells having a structure in which an anode (fuel electrode) 3 and a cathode (oxygen electrode) 4 are arranged to face each other with an electrolyte body 5 interposed therebetween. The plurality of cells are stacked with a separator interposed between the cells to form a cell stack. The electrolyte body 5 is, for example, a solid polymer film having a property of transmitting anions (OH − ).
アノード３には、燃料流路６が形成されている。燃料流路６は、燃料循環ライン７の一端と他端との間に介装されている。具体的には、燃料流路６の一端は、燃料供給口８をなし、この燃料供給口８には、燃料供給ラインとしての燃料循環ライン７の一端部９が接続されている。燃料流路６の他端は、燃料排出口１０をなし、この燃料排出口１０には、燃料排出ラインとしての燃料循環ライン７の他端部１１が接続されている。燃料電池２は、燃料排出口１０が燃料供給口８よりも高い位置に配置されるように設けられている。
A fuel flow path 6 is formed in the anode 3. The fuel flow path 6 is interposed between one end and the other end of the fuel circulation line 7. Specifically, one end of the fuel flow path 6 forms a fuel supply port 8, and one end portion 9 of a fuel circulation line 7 as a fuel supply line is connected to the fuel supply port 8. The other end of the fuel flow path 6 forms a
燃料循環ライン７の一端部９および他端部１１には、それぞれ燃料供給バルブ１２および燃料排出バルブ１３が介装されている。
A
燃料循環ライン７の途中部には、燃料タンク１４から延びる燃料補給管１５が接続されている。燃料タンク１４には、液体燃料の一例である水加ヒドラジンが貯留されている。燃料補給管１５の途中部には、燃料補給ポンプ１６が介装されている。燃料補給ポンプ１６が駆動されることにより、燃料タンク１４から燃料補給管１５を通して燃料循環ライン７に液体燃料が供給される。
A
また、燃料循環ライン７において、燃料補給管１５が接続される部分と燃料供給バルブ１２との間には、燃料循環ポンプ１７が介装されている。燃料供給バルブ１２および燃料排出バルブ１３が開かれた状態で、燃料循環ポンプ１７が駆動されると、液体燃料が燃料循環ライン７を燃料循環ポンプ１７から一端部９に向かう方向に流れ、燃料供給口８から燃料流路６に液体燃料が供給される。燃料流路６に供給される液体燃料は、燃料流路６を流れ、燃料排出口１０から燃料循環ライン７の他端部１１に排出される。このように、燃料供給バルブ１２および燃料排出バルブ１３が開けられた状態で、燃料循環ポンプ１７が駆動されると、燃料流路６および燃料循環ライン７を液体燃料が循環する。
In the fuel circulation line 7, a
燃料循環ライン７にはさらに、燃料排出バルブ１３と燃料補給管１５が接続される部分との間に、気液分離器１８が介装されている。燃料循環ライン７を流れる液体燃料には、アノード３における液体燃料の化学反応により生成されるガス（Ｎ２）が含まれており、気液分離器１８において、燃料循環ライン７を流れる液体燃料からガスが分離して除去される。
Further, a gas-
気液分離器１８には、ガス放出ライン１９が接続されている。気液分離器１８には、その内部の気圧を検出するための圧力センサが内蔵されており、気液分離器１８内の気圧が所定値以上になると、ガス放出ライン１９に介装されたガス放出バルブ２０が開かれて、気液分離器１８内のガスがガス放出ライン１９を通して大気に放出される。
A
カソード４には、気体流路２１が形成されている。気体流路２１の一端は、気体供給口２２をなし、この気体供給口２２には、エアコンプレッサ２３から延びる空気供給ライン２４が接続されている。気体流路２１の他端は、気体排出口２５をなし、この気体排出口２５には、一端が開放される気体排出ライン２６の他端が接続されている。気体排出ライン２６の途中部には、気体流路２１を流れる空気の圧力を調節するための圧力調節バルブ２７が介装されている。
A
燃料電池システム１は、冷却水循環ライン２８を備えており、冷却水循環ライン２８を循環する冷却水により、燃料電池２が冷却されるようになっている。冷却水循環ライン２８の途中部には、冷却水を冷却するためのラジエータ２９が介装されている。また、冷却水循環ライン２８の途中部には、冷却水排出ライン３０が接続されており、冷却水排出ライン３０に介装された冷却水排出バルブ３１が開かれることにより、冷却水循環ライン２８から冷却水排出ライン３０を通して冷却水を排出することができる。冷却水排出バルブ３０は、冷却水を排出する必要がある時にのみ開かれる。
The fuel cell system 1 includes a cooling
そして、燃料電池システム１は、マイクロコンピュータにより構成される制御部３２を備えている。制御部３２は、メモリに格納されたプログラムに従って、燃料補給ポンプ１６、燃料循環ポンプ１７およびエアコンプレッサ２３の駆動を制御し、燃料供給バルブ１２、燃料排出バルブ１３、ガス放出バルブ２０および冷却水排出バルブ３１の開閉を制御する。また、圧力調節バルブ２７の開度を制御する。
The fuel cell system 1 includes a
図２は、制御部により実行されるシステム制御のフローチャートである。 FIG. 2 is a flowchart of system control executed by the control unit.
システム制御の実行中（燃料電池システム１の運転停止中以外）は、制御部３２により、燃料電池システム１に備えられている各種センサ（図示せず）の出力が一定周期で取得されている（ステップＳ１）。各種センサには、燃料電池２における起電力を検出する電圧センサが含まれる。
During the execution of system control (except when the operation of the fuel cell system 1 is not stopped), the output of various sensors (not shown) provided in the fuel cell system 1 is acquired by the
燃料電池システム１の運転を停止（シャットダウン）させる要求が生じるまでは、制御部３２により、燃料電池システム１の運転のための通常制御が行われる（ステップＳ３）。運転を停止させる要求は、たとえば、燃料電池システム１が自動車に搭載される場合、自動車の動力源であるモータが停止された時に生じる。
Until the request to stop (shut down) the operation of the fuel cell system 1 occurs, the
通常制御では、燃料供給バルブ１２および燃料排出バルブ１３が開かれ、燃料循環ポンプ１７が駆動されて、アノード３の燃料流路６を液体燃料が流れる。その一方で、エアコンプレッサ２３が駆動されるとともに、圧力調節バルブ２７の開度が調節されることにより、カソード４の気体流路２１を空気が流れる。また、燃料循環ライン７を流れる液体燃料の濃度が一定濃度となるように、燃料補給ポンプ１６が駆動される。
In the normal control, the
これにより、燃料電池２において、電気化学反応が生じ、その電気化学反応による起電力が発生する。 Thereby, in the fuel cell 2, an electrochemical reaction occurs, and an electromotive force is generated by the electrochemical reaction.
具体的には、アノード３において、下記式（１）で示される反応が生じ、窒素ガス（Ｎ２）、水（Ｈ２Ｏ）および電子（ｅ−）が生成される。電子は、外部回路（図示せず）を介して、カソード４に移動する。窒素ガスおよび水は、未反応の液体燃料とともに、燃料流路６から燃料排出口１０を介して燃料循環ライン７に排出される。一方、カソードでは、下記式（２）で示される反応が生じ、アニオン（ＯＨ−）が生成される。アニオンは、電解質体５を透過して、アノード３に移動する。
Specifically, in the anode 3, a reaction represented by the following formula (1) occurs, and nitrogen gas (N 2 ), water (H 2 O), and electrons (e − ) are generated. The electrons move to the cathode 4 via an external circuit (not shown). Nitrogen gas and water are discharged together with unreacted liquid fuel from the fuel flow path 6 to the fuel circulation line 7 through the
ＮＨ２ＮＨ２＋４ＯＨ−→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ− ・・・（１）
Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ− ・・・（２）
この結果、アノード３とカソード４との間に、電気化学反応による起電力が発生する。
NH 2 NH 2 + 4OH − → N 2 + 4H 2 O + 4e − (1)
O 2 + 2H 2 O + 4e − → 4OH − (2)
As a result, an electromotive force is generated between the anode 3 and the cathode 4 due to an electrochemical reaction.
燃料電池システム１の運転を停止させる要求が生じると（ステップＳ２のＹＥＳ）、運転停止後に液体燃料が燃料流路６に残存することを防止するための燃料残存防止制御が行われる。 When a request to stop the operation of the fuel cell system 1 occurs (YES in step S2), fuel remaining prevention control is performed to prevent liquid fuel from remaining in the fuel flow path 6 after the operation is stopped.
燃料残存防止制御では、まず、燃料補給ポンプ１６および燃料循環ポンプ１７の駆動が停止されるとともに（ステップＳ４）、燃料排出バルブ１３が閉じられる（ステップＳ５）。燃料供給バルブ１２は、開かれている。また、通常制御の実行中から引き続いて、エアコンプレッサ２３が駆動されるとともに（ステップＳ６）、圧力調節バルブ２７の開度が調節され、カソード４の気体流路２１を空気が流れる。
In the fuel remaining prevention control, first, driving of the
燃料排出バルブ１３が閉じられると、燃料流路６における液体燃料の流通が停止し、燃料流路６に液体燃料が停留する。燃料排出バルブ１３が閉じられた後も、気体流路２１を空気が流れるので、燃料電池２では、通常制御の実行中から継続して、電気化学反応が生じる。このときアノード３で生成される窒素ガスは、燃料流路６に停留している液体燃料中を燃料排出口１０に向けて移動する。したがって、燃料流路６には、燃料排出口１０側からガスが充填されていき、燃料流路６中の液体燃料は、燃料供給口８から燃料循環ライン７に追い出される。そのため、燃料流路６に滞留するガスの量の増加に伴って、燃料流路６中の液体燃料の量が減少していく。そして、燃料流路６からすべての液体燃料がパージされて、燃料流路６が窒素ガスで充満した状態になると、燃料電池２における電気化学反応による発電が停止する。
When the
発電の停止は、燃料電池２における起電力を検出する電圧センサの出力（検出値）に基づいて判断することができる。すなわち、電圧センサにより検出される起電力が予め定める閾値（零に近い値）以下になると（ステップＳ７のＹＥＳ）、燃料電池２における発電が停止したと判断することができる。 The stop of power generation can be determined based on the output (detected value) of a voltage sensor that detects an electromotive force in the fuel cell 2. That is, when the electromotive force detected by the voltage sensor becomes equal to or less than a predetermined threshold (a value close to zero) (YES in step S7), it can be determined that power generation in the fuel cell 2 has stopped.
燃料電池２における発電が停止すると、燃料供給バルブ１２が閉じられる（ステップＳ８）。これにより、燃料流路６は、窒素ガスが充満した状態で閉鎖される。また、エアコンプレッサ２３の駆動が停止され（ステップＳ９）、制御部３２によるシステム制御が終了する。
When power generation in the fuel cell 2 is stopped, the
以上のように、燃料電池システム１では、運転停止に先立ち、燃料残存防止制御が行われて、アノード３の燃料流路６が窒素ガスで充満した状態にされ、その状態で燃料流路６が閉鎖される。これにより、運転停止後に液体燃料がアノード３に残存することを防止できるので、運転停止中に、燃料電池２において液体燃料がアノード３からカソード４に移動する、いわゆるクロスオーバが生じることを防止できる。また、液体燃料が水加ヒドラジンであっても、運転停止中に、アノード３においてアンモニアが生成されることを防止できる。よって、次の運転開始時に、アンモニアによる臭気を発生することを防止できる。 As described above, in the fuel cell system 1, the fuel remaining prevention control is performed before the operation is stopped, and the fuel flow path 6 of the anode 3 is filled with nitrogen gas. Closed. Thereby, it is possible to prevent the liquid fuel from remaining on the anode 3 after the operation is stopped, so that it is possible to prevent the so-called crossover in which the liquid fuel moves from the anode 3 to the cathode 4 in the fuel cell 2 during the operation stop. . Further, even when the liquid fuel is hydrazine hydrate, it is possible to prevent ammonia from being generated at the anode 3 during operation stop. Therefore, it is possible to prevent the generation of odor due to ammonia at the start of the next operation.
また、燃料残存防止制御では、燃料供給口８よりも高い位置に配置される燃料排出口１０が閉じられるので、燃料循環ライン７から燃料流路６への液体燃料の流入がない。そのため、燃料残存防止制御の開始から短時間で、燃料流路６が窒素ガスで充満した状態となり、燃料電池２における発電が停止する。その結果、燃料残存防止制御の開始から短時間で、燃料電池システム１の運転を停止させることができる。
Further, in the fuel remaining prevention control, the
さらに、燃料排出口１０が燃料供給口８よりも高い位置に配置されているので、燃料電池システム１の運転時に、アノード３で発生する窒素ガスを燃料流路６から燃料循環ライン７にスムーズに排出することができる。その結果、燃料流路６に窒素ガスが滞留することによる発電能力の低下を防止することができる。
Further, since the
なお、燃料残存防止制御において、燃料排出口１０ではなく、燃料供給口８が閉じられてもよい。この場合、アノード３で生成される窒素ガスは、燃料流路６から燃料排出口１０を介して燃料循環ライン７に流出する。この窒素ガスの流出と引き換えに、燃料循環ライン７から燃料排出口１０を介して燃料流路６に液体燃料が流入する。そのため、燃料電池２での電気化学反応が進むにつれて、燃料循環ライン７における他端部１１と気液分離器１８との間の部分に残留する液体燃料が少なくなる。そして、そして、その部分中の液体燃料が少なくなることにより、燃料流路６への液体燃料の流入がほぼなくなり、その後、燃料流路６中の液体燃料が消費されて、燃料流路６から液体燃料がなくなると、燃料電池２における電気化学反応による発電が停止する。
In the fuel remaining prevention control, the fuel supply port 8 may be closed instead of the
また、燃料電池２は、燃料供給口８が燃料排出口１０よりも高い位置に配置されるように設けられてもよいし、燃料供給口８および燃料排出口１０がほぼ同じ高さの位置に配置されるように設けられてもよい。この場合において、燃料残存防止制御において、燃料供給口８が閉じられてもよいし、燃料排出口１０が閉じられてもよい。
Further, the fuel cell 2 may be provided such that the fuel supply port 8 is disposed at a position higher than the
その他、前述した実施の形態には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。 In addition, various design changes can be made to the above-described embodiments within the scope of the matters described in the claims.
１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ アノード
４ カソード
６ 燃料流路
７ 燃料循環ライン
８ 燃料供給口
９ 一端部（燃料供給ライン）
１０ 燃料排出口
１１ 他端部（燃料排出ライン）
１２ 燃料供給バルブ
１３ 燃料排出バルブ
２１ 気体流路
２３ エアコンプレッサ（気体供給手段）
２４ 空気供給ライン（気体供給手段）
２６ 気体排出ライン（気体供給手段）
２７ 圧力調節バルブ（気体供給手段）
３２ 制御部（制御手段）
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system 2 Fuel cell 3 Anode 4 Cathode 6 Fuel flow path 7 Fuel circulation line 8 Fuel supply port 9 One end part (fuel supply line)
10 Fuel discharge port 11 The other end (fuel discharge line)
12
24 Air supply line (gas supply means)
26 Gas discharge line (gas supply means)
27 Pressure control valve (gas supply means)
32 Control unit (control means)
Claims (2)
前記燃料流路の一端の燃料供給口に接続された燃料供給ラインと、
前記燃料供給ラインから前記燃料流路への液体燃料の供給を許容／阻止するために開閉される燃料供給バルブと、
前記燃料流路の前記一端と反対側の他端の燃料排出口に接続された燃料排出ラインと、
前記燃料流路から前記燃料排出ラインへの液体燃料の排出を許容／阻止するために開閉される燃料排出バルブと、
前記気体流路に酸素を含む気体を供給するための気体供給手段と、
前記燃料供給バルブ、前記燃料排出バルブおよび前記気体供給手段を制御して、前記燃料供給バルブおよび前記燃料排出バルブが開かれ、前記気体供給手段により前記気体流路に気体が供給されている状態から、前記燃料供給バルブおよび前記燃料排出バルブの一方を閉じて、前記気体供給手段による気体の供給を継続し、前記燃料電池における発電が停止した後、前記燃料供給バルブおよび前記燃料排出バルブの他方を閉じるとともに、前記気体供給手段による気体の供給を停止させる制御手段とを含む、燃料電池システム。 A fuel cell having an anode formed with a fuel flow path and a cathode formed with a gas flow path , wherein liquid fuel is supplied and gas is generated at the anode by an electrochemical reaction ;
A fuel supply line connected to a fuel supply port at one end of the fuel flow path;
A fuel supply valve that is opened and closed to allow / block liquid fuel supply from the fuel supply line to the fuel flow path;
A fuel discharge line connected to a fuel discharge port on the other end opposite to the one end of the fuel flow path;
A fuel discharge valve that is opened and closed to allow / block liquid fuel discharge from the fuel flow path to the fuel discharge line;
Gas supply means for supplying a gas containing oxygen to the gas flow path;
The fuel supply valve, the fuel discharge valve, and the gas supply means are controlled so that the fuel supply valve and the fuel discharge valve are opened, and gas is supplied to the gas flow path by the gas supply means. Then, one of the fuel supply valve and the fuel discharge valve is closed, the gas supply by the gas supply means is continued, and after the power generation in the fuel cell is stopped, the other of the fuel supply valve and the fuel discharge valve is And a control means for stopping and supplying gas by the gas supply means.
前記制御手段は、前記燃料供給バルブおよび前記燃料排出バルブが開かれ、前記気体供給手段により前記気体流路に気体が供給されている状態から、前記燃料排出バルブを閉じて、前記気体供給手段による気体の供給を継続し、前記燃料電池における発電が停止した後、前記燃料供給バルブを閉じるとともに、前記気体供給手段による気体の供給を停止させる、請求項１に記載の燃料電池システム。 The fuel cell is provided such that the fuel discharge port is positioned higher than the fuel supply port,
From the state where the fuel supply valve and the fuel discharge valve are opened and the gas is supplied to the gas flow path by the gas supply means, the control means closes the fuel discharge valve, and the gas supply means 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein after the gas supply is continued and power generation in the fuel cell is stopped, the fuel supply valve is closed and the gas supply by the gas supply unit is stopped.
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